关于锅炉汽包水位监控保护安全问题及对策

关于锅炉汽包水位监控保护安全问题及对策 分析汽包水位测孔与一次测量装置问题对监控保安系统的影响，已成为系统完善与提高可靠性的主要障碍，在实施DCS改造时应同步解决之。提出针对性技改目标与要求。华能淮阴电厂应用水位多测孔接管技术，解决了测孔过少、取位不当问题，以及使用电接点水位计高精度取样测量筒解决汽包水位准确可靠测量的问题。1、汽包水位监控保护系统的安全分析汽包水位是锅炉最重要的安全参数。监控保安系统由水位仪表、自动调节、信号报警和停炉保护等几个子系统组成，保障锅炉设备及水位运行的安全。只要处于可靠的工作状态，汽包水位自动调节系统就可每分每秒、忠实地将水位准确地钳制在允许的范围内。水位参数正常就意味着安全。因此，水位自动调节也是一个安全系统。水位高2值联锁保护即：当水位升高至“高2值”时自动打开事故放水门，向排污扩容器放水，使水位降低至“高1值”以下时自动关闭事故放水门。水位低2值联锁保护即：当水位降低至“低2值”时自动关闭连续排污总门，当水位高于“低1值”时自动打开连续排污总门。这两种水位工况自动控制实际上是“二位式” 自动调节保安系统。事故放水管口的口径较大，又是向排污扩容器放水，故放水流量很大。当水位升高至定值时，只要能可靠地自动打开事故放水门，就能使水位快速回降，避免汽包满水。由于放水管口位于“0水位”高度， 水位只能回降至“0水位”， 如放水门拒关，仅继续对排污扩容器放汽，不会造成缺水事故。因此该保护能较可靠地将水位钳制在“0水位”与“高2值”之间。可见，该保护的拒动概率应不大于误动概率，在系统可靠性设计时必须予以注意。因为连续排污管口的口径较小、实际运行中的连续排污量与给水流量相比很小，所以低2值保护防止汽包缺水的能力有限。由于某种原因，水位高过“高2值”，且自动打开事故放水门保护拒动，水位将高至厂家认为可能危及锅炉安全的“高3值”时自动停炉，称“高水位停炉保护”，又称“满水停炉保护”。 由于某种原因，水位降低至“低3值”时，为防止降水管严重带汽或水循环中断而锅炉烧坏时，自动停炉，称为“缺水停炉保护”。这两种保护属于“设备危机保护”，是电力锅炉最重要的主保护，运行中必不可少。其可靠性之高应居电站设备保护可靠性水平之最，既不能误动，更不能拒动。在锅炉水位事故统计中，缺水事故比率远比满水事故率多。其原因是，导致缺水事故的因素比满水事故多得多，例如：由众多设备串联而成的给水系统中，任何一个故障都可能中断锅炉给水；锅炉水冷壁、省煤器等炉水系统设备大面积爆管泄漏而不能维持汽包水位；高低2值工况保护效力的差异大等等。因此预防缺水事故又是重中之重。在锅炉运行中，运行人员看不见水位比看不见压力温度流量，危险得多。汽包水位表的安全地位不亚于安全门。它既是运行人员手动控制汽包水位的眼睛，又是赖以判断给水、自调与保护系统工作是否正常，不可缺少的最重要表计。在锅炉给水与炉水系统故障时，水位表是否正常，往往决定了运行人员紧急事故处理的正误。如果两个主要表计显示不一致，人员很难果断处理事故。近些年来，由于水位测量变送单元准确性和可靠性的提高，特别是DCS系统控制的成功应用，人们认为，常规汽包水位表不那么重要了，似乎可以减少，例如在一些设计中，未按规程规定的数量设置水位表。加之，汽包水位表和满缺水停炉保护等系列问题长期未能解决，致使少数火电站付出了沉重的代价。2、问题的提出秦皇岛热电厂#4炉为1025t/h亚临界锅炉，采用现代化的DCS（MAX-1000）控制系统。1997.12.16的给水断水事故，扩大为锅炉严重损坏重大事故，直接经济损失三百多万元。人们不禁要问，采用现代化先进控制系统，何以不能保证锅炉设备的安全？这个问题已引起了一些专家的关注，并进行更深层次的思考。此次重大事故报告注1指出，事故的直接原因是，汽包水位计测量误差致使汽包低水位停炉保护拒动，水位表和给水流量表误显示误导了运行人员误判断、误处理。从事故报告中还可以看出，汽包水位监控保护系统设计不符合蒸汽锅炉安全技术检察规程、电力工业锅炉压力容器检察规程DL612 1996（简称电锅规）、火力发电厂设计技术规程DL5000 94（简称设规）、火力发电厂热工自动化设计技术规程（简称热自规）DNGJ16 89等有关规程要求，配套不完善、可靠性不足，是导致事故的根本原因。再细究其根源，并非设计考虑不周，亦不是不按规程办，而是汽包水位测孔和一次测量装置问题未能解决，限制了设计水平。这是系统完善与提高可靠性的主要障碍。采用DCS控制系统，并不等于解决这两个问题。现代控制系统（包括DCS）以冗余技术为主、辅之以各自诊断技术，以最大限度面向运行人员的各种窗口设计开发人的潜在能力，以求提高监控保安的可靠性。可以说，只要汽包上有足够的、独立的、合格的水位测孔，准确可靠的一次测量装置，就可以轻而易举地将原系统改造成高可靠性的、功能齐全、更完善的一流系统。测孔是汽包水位监控保安设计的基础资源。现有锅炉的汽包水位测孔问题是：一方面是数量过少，一般只有48对，不能满足一流水位监控保安系统及其可靠性改造设计的需求；另一方面是测孔选位不当，易受干扰，不符合水位测量技术要求。此问题对于具体锅炉而言，有的是以测孔过少为主，有的是以取样点不当为主。这两方面问题属于热控与锅炉两专业之间的边缘课题。按电力企业内部习惯分工，由热控方向锅炉方提出测孔数量及测孔取位的技术要求，由锅炉方解决，但遗憾的是，锅炉方（包括锅炉制造厂）往往很难满足热控方的要求。对汽包水位进行准确、稳定、可靠的一次测量，是监控保护系统安全可靠运行的最重要前提。一次测量问题较多，如就地水位表和电接点水位表存在严重的负误差，差压式水位计的温度压力校正不准且易漂移等。这些问题解决不好，必然对监视仪表、自调、信号报警和保护产生一系列影响。3、一次测量问题对汽包水位监控保安的影响水位仪表不准，影响人员正确判断处理水位事故 秦皇岛热电厂#4炉断水事故后至锅炉损坏前，汽包处于严重缺水状态，而电接点水位表和CRT中差压式水位计指示一直在缺水停炉定值以上，使运行人员犹豫不决，不能果断手动紧急停炉，导致锅炉设备严重损坏。可见，在水位事故状态下，水位表误显示使人员正确处理事故的能力大打折扣。很多案例证明了这一点。电接点水位表和就地云母水位表的严重负误差，使汽包内实际运行水位长期偏高厂家设计值，影响锅炉安全经济运行水位仪表正负偏差直接导致汽包长期低水位或高水位运行. 以运行人员这信赖的电接点水位表为例。理论计算和运行实验表明，用于400t/h、670t/h锅炉15.5 MPa 压力时0水位取样负误差为100 115mm，1025t/h 亚临界锅炉0水位负误差为140 155mm。那末，汽包内实际运行水位长期偏高厂家设计值分别为100 115mm，140 155mm。顺便指出，此项负误差不能靠改变测量筒、就地云母水位表的机械安装0位办法定点校正。若此，当水位低或压力低时，将出现严重的正误差，可能导致汽包缺水而损坏锅炉。理论分析，高水位运行增加旋风分离器阻力，降低水循环速度，增加饱和汽湿度，导致锅炉热效率下降明显注2。运行实践证明，有的锅炉以就地云母水位表为准控制水位，引起高水位运行，在大负荷时使饱和汽严重带水，既限制锅炉出力，又影响锅炉安全。测量不准对保护的影响 秦皇岛热电厂#4炉满水停炉保护定值为：+300mm、-384mm，其开关量信号由差压式水位计给出。由于厂家温度补偿设定值不当等原因造成偏差过大，可使指示水位虚高108mm，在断水事故后,汽包内水位已低于厂家规定的停炉值，而水位计不发缺水停炉信号，使保护拒动。配套普通测量筒的电接点水位表或液位报警器，高水位开关量定值误差太大。例如用于670t/h 15.5 MPa锅炉，则+300mm停炉定值取样负误差为195mm，即保护动作时汽包内运行水位已达到495mm，高于厂家规定值195mm，炉水已淹没给水清洗孔板，饱和汽已严重带水，实属满水停炉保护动作过于迟缓，亦可认为,汽包内水位已达到+300mm时保护拒动。测量不准同样会导致高低2值保护、水位报警信号拒动或误动。4、测点选位不当对水位监控保安系统的影响 电锅规）9.3.3指出，“汽包上水位表的汽、水连接管接出位置不应影响水位的正确指示，能正确反映汽包的真实水位”。对此，电锅规说明9.3.3解释是，“一些超高压、亚临界参数汽包水位表由于内部汽水工况的影响，同一汽包上的就地水位表指示就有相差，有的还很大，无法判断真实水位。现在很多大型锅炉的汽水连接管已改从汽包封头引出，以减少汽包汽水扰动对水位测量的影响”。显然，测点选位应在汽包封头。目前，很多在役汽包的远传水位测点位于汽包中段，距旋风分离器、给水清洗孔板、下降管口很近，汽水流对取样精度影响较大，特别在旋风分离器倾倒与顶帽脱开（此类故障率较高）或给水清洗孔板倾斜时，汽水流冲向测孔，使取样误差大大增加，使同一汽包上的水位表、水位变送器、水位开关的取样相差很大，甚至达100200mm。加之汽包中段各点实际水位随燃烧工况、锅炉负荷等因素变化，不同点的水位有时相差较多。这些取样干扰变化，不仅使运行难于判断真实水位，热工维护人员不易哪个装置准确，还会使水位自调稳定性差，甚至失控。正是由于这种“隐蔽的”取样干扰变化，大幅度降低保护定值精度，使一些电厂发生了满缺水停炉保护“不明不白”的误动，以致不顾增加拒动概率而采用三信号串联回路降低误动率，甚至不敢投入满缺水停炉保护。5、测孔数量过少对监控保安的影响使很多锅炉满缺水停炉保护的无法实现真正的“三选二”冗余逻辑设计。 “三选二”是“高保真”信号系统，属于对称表决判断逻辑网络，故障率远低于单、双信号回路。如果单信号的拒动与误动概率相等，则该网络拒动与误动概率也相等，即具有均衡的抗拒动、抗误动能力。因此，“三选二”是热机主保护理想的信号网络注3。真正的“三选二”信号逻辑要求三个信号从测量取样端彼此独立。尽管设规热自规规定，“重要热工保护的输入信号应多重化”，“对于直接作用停炉、停机保护信号，在可能时宜按“三取二”方式选取”，但由于缺乏测孔，即缺乏独立水位信号，使设计师无法按规程要求设计“三选二”满缺水停炉保护。例如：秦皇岛热电厂#4炉、华能淮阴电厂670t/h超高压锅炉等，只好采用用单信号回路，可靠性过低，不能适应主保护的要求。例如，河北西北坡电厂等采用双信号串联回路，河南焦作电厂等采用三信号串联回路以降低误动概率。这是以增加拒动概率为代价的，有违于“保护主设备”的宗旨。使一些大型锅炉水位自调的水位信号系统仍然采用单信号设计。这与当今流行的“三选中”判断网络相比，可靠性、稳定性和准确性都差得多。 迫使 “三选二”停炉保护与“三取中” 水位自调系统设计 “合用”测孔或“合用”二次水位信号。这在国内极为普遍。“合用”二次水位信号与现代分散控制系统（DCS）的“信息共享”不能混为一谈。DCS对于信息的处理与应用，是分等级的。DCS的精髓在于“危险分散”。 “合用信号”却将“危险集中”， 不符合我国火力发电厂设计技术规程DL5000 94、火力发电厂热工自动化设计技术规程DNGJ16 89，关于“保护用的接点信号应取自专用的开关量仪表”，“强制性主燃料跳闸的检查元件和线路，应与其他控制监视系统分开”的规定。汽包满、缺水停炉保护属保安系统，水位自动调节属过程控制系统。国际上一些有权威的标准对控制与保安系统的独立性作出了明确的规定。“当前，许多国际标准均要求控制系统与保安系统分开，即保证安全保护系统的独立性。AICHE指出，在基本控制系统和安全联锁系统之间应在地理上和功能上分开；IECTC65WG10标准规定，受控设备的控制系统应与安全相关系统及减小危险的外部设施相分开和独立；ISASP84标准也指出，用于控制系统的传感器不应用于安全系统。美国核工业系统有关规定也指出，安全系统应考虑冗余，冗余系统应相互独立，并在地理上和功能上互相分开”从上述规程和标准可见，保安系统的独立性比过程控制系统的独立性更为重要。对于这两个三重冗余系统来说，“地理上分开”原则的含义有两层：（1） 系统内部的三个信号应从取样端彼此独立，即各有独立的取样点和取样装置。否则，可能因合用测孔管路堵塞或取样装置泄漏，使三重冗余系统失效。（2） 两系统之间的信号必须相互隔离，从取样端彼此独立。否则，同一个测孔、管路、二次信号装置、线路出现故障，将使两系统同时瘫痪。很多运行设备严重损坏事故案例证明，这是极为危险的。华能淮阴电厂的满、缺水停炉保护与仪表、自调合用同一对测孔管路，经常因后两系统排污、泄漏或维修而退出运行，曾2次引发误动停炉事故。此例应引以为戒。使水位表数量过少，冗余度达不到规程要求，影响了运行人员对水位监控与事故判断处理的准确性和可靠性。按照规程规定和实际需要，若能在任何情况下充分满足监视的需要，应有6个相互独立的水位表。很多大型锅炉的水位表数量达不到上述要求。例如秦皇岛热电厂的控制室只有一个常规的电接点水位表，和一个水位电视（就地水位表的电视画面，即水位TV），以及CRT中水位画面。正如事故报告中所述，“该炉水位计配置不尽合理，就地水位表量程200mm，电接点水位表量程300mm，CRT水位计400mm，而保护定值是+300mm，-384mm，在非常情况下，缺乏充分监视和比较分析手段” 。如果水位在+ 200mm300mm，-200mm300mm时，只有一个常规的电接点水位表和CRT水位计可监视水位;如果水位在+ 300mm+400mm，-300mm-400m时，只有靠CRT水位计监视水位。如此配置，在水位事故状态下完全不能满足运行人员的监视需求。在事故情况下没有参比的常规水位表，若要求运行人员正确翻页寻找CRT水位画面，而正确判断处理水位事故，已超出了人员应有的能力。从人机安全工程学原理分析，这种方式十分危险，是因为“有关数据表明，面对危险情况需在60秒内作出正确响应，而运行人员通常在99.9%时间作出错误反应”注4。因此，必须增加常规水位表的冗余度，保证让运行人员能随时醒目地看到至少两个可靠的常规水位表。6、 汽包水位系列技术改造的目标与要求完善的控制保安系统应具有如下功能：全工况水位自顶调节，水位高低2值工况保护联锁，水位高低1、2、3值热工信号报警，满缺水停炉保护。具备完善的水位监视系统：至少有2个就地水位表；控制室内至少有2个独立的可靠的主要水位表（量程应大于满、缺水停炉定值），1个独立的大量程全工况远传满水水位表，就地水位表的工业电视，DCS中的CRT水位。如采用电接点水位计为主要水位表，在控制室仪表电源失去时应能继续工作30分钟。提高控制保安系统的可靠性：满缺水停炉保护信号应是“3取2”冗余逻辑；水位自调信号应是“3取中”冗余逻辑；水位工况保护联锁及热工信号报警视具体条件采用冗余设置。提高主要水位表和保护定值系统的测量精度。7、华能淮阴电厂汽包水位系列技术改造的关键技术措施系列技术改造的核心任务是，解决满缺水停炉保护可靠性问题，解决由于电接点水位计测量负误差而引起的高水位运行问题。为此，必须解决独立水位信号不足、测量精度低及稳定性差的问题。那么，在汽包封头增加水位测孔和研制测量准确、性能可靠、带有开关量的仪表，是完成上述任务的技术关键。在汽包封头增加水位测孔。研究出“汽包与测量装置之间多测孔接管（简称多测孔接管）”最新技术（专利号ZL 97 2 07095.8）。这是一种免开孔增孔技术，可将一对测孔改造为多对测孔。对于大多数在役汽包，利用多测孔接管，可在封头上增加24对独立测孔。这项技术已在江苏华能淮阴电厂和河北马头电厂获得成功。前者为哈锅670t/h锅炉，后者为东锅670t/h锅炉。在一台汽包封头上，仅用8天就制作安装了2对多测孔接管，增加4对（8个）内径为20的独立测孔。测孔独立性试验和长期的安全运行证明，所增的测孔具有良好的取样独立性。这些测孔取样管截面符合测量技术要求，如同开在封头上一样，可避开汽水流的干扰。研制高精度高可靠性电接点水位取样测量筒差压式水位计的问题在于平衡容器的取样不准、不稳定，需要准确的温度补偿。单、双室平衡容器的正压侧取样动态慢，往往在较长一段时间内没有差压输出或取样误差很大，使仪表失去作用。带温度补偿的单室平衡容器的补偿误差较大，且不稳定。双室平衡容器在系统正常时，尽管取样误差很小，但输出差压经变送器变换后，同样需经过压力温度非线性补偿校正，才能正确显示水位。校正环节的本身就有误差，当实际参数与校正参数不符时校正误差增大。这些问题是差压式水位计（包括CRT水位）“0水位”经常飘乎不定的主要原因，尽管配套高精度、高可靠性的差压变送器，仍未能赢得运行人员和热工人员的充分信赖，不得不经常以电接点水位表或就地云母水位表为准调整0位。电接点水位计，测量原理简单，显示直观可信。在超高压及以下压力的汽包炉上，作为主要仪表，其可靠性已经赢得运行的信任，但负误差大。在亚临界锅炉上，由于误差大、可靠性较差，电接点水位计已沦为“次要仪表”。电接点水位计不需要在二次转换中实现压力温度补偿，仪表精度取决于测量筒的取样误差。只要能使测量筒中水位和汽包内水位一致，便消除了取样负误差，实现区间显示的高精度测量。电接点水位计的二次转换简单、准确、可靠，如能进一步解决测量筒取样可靠性问题，不仅可作为主要监视仪表，还可用作保护的水位开关。基于对两种仪表的上述分析，为了准确控制汽包0水位，研究新一代电接点水位测量筒（代号GJT 2000）成为系统改造设计研究的重点课题。GJT2000测量筒含有“汽包电接点水位计高精度取样测量筒（专利号ZL95240275.0）”、“汽包电接点水位计电极组件装置（专利号ZL95240748.5）”两项最新技术。利用传热学原理，采取综合技术措施，在测量筒中实现最可靠的压力温度补偿，消除测量筒取样负误差，实现了测量筒高精度取样测量，提高取样传送的可靠性。GJT 2000测量筒与现用测量筒相比的优点是：取样精度高，受环境温度影响很小；动态响应快；水质好，可免排污；电极工作环境好，电蚀小，寿命长；能有效避免电极挂水；电极机械密封组件承压高，不泄漏等。8、华能淮阴电厂汽包水位系列技术改造的结果解决了测孔问题 ，增加4对封头测孔,使汽包共有9对测孔，使用分配是：3对用于控制室内的3个高精度的电接点水位计：甲、乙侧电接点水位计（主要仪表兼作水位开关），大量程全工况电接点水位计（-300+1200mm的全工况水位计，可和主表一样准确显示水位）；2对用于2个就地水位表，其中之一兼用于控制室远传水位TV；1对用于电接点水位开关，该开关和甲、乙侧电接点水位计都有高低1、2、3值6个开关量输出；3对用于：“3取中”水位自调信号，兼用于CRT水位计。只有水位TV的测孔在汽包中段，其余8对在汽包两封头，从而实现了监控保安系统的8个测量装置在最佳部位独立取样。由甲、乙侧电接点水位计、大量程全工况电接点水位计、CRT水位计、水位TV等5个相互独立的远传水位计组成了完善、准确可靠的控制室水位监视系统。 电接点水位表的普通测量筒更换为GJ 2000测量筒。对比试验证实，与汽包内理论水位误差不大于10mm，仪表间指示差为20mm。CRT水位计0位，按电接点水位表显示调整，能和电接点水位表指示同步。在水位事故情况下，该系统完全能保证运行人员准确可靠地监视水位，特别是在满水保护停炉时，能看到具体的事故水位值。保护联锁报警信号全部改为“三取二”。 由于有相互独立的三个开关量仪表，每个又有6个不同的开关量输出，借助于DCS改造，轻易地实现了同一名称（例如，“水位低1值”、“缺水停炉”等）信号的“三取二”冗余，使满、缺水停炉保护，高、低2工况联锁保护，以及高低1、2、3值热工报警信号，全部改为“三取二” 容余信号。电接点水位保护开关也配套GJT 2000测量筒，使水位保护、联锁、报警的定值和水位指示一致，提高了保护定值精度和稳定性，保证了保护动作的准确性可靠性。保证了“三取二”保护和“三取中”自调两容余系统内部和系统之间的信号，从取样端彼此独立。华能淮阴电厂汽包水位监控保安系统经过系列技术改造后，不仅消除了主要仪表严重的负误差，解决了因测量而引起的高水位运行问题，提高锅炉热效率，还提高了监控保安的可靠性。自改进至今，从未发生因一个取样装置泄漏、排污、冲洗引起其他仪表、自动控制及水位报警保护功能失常事件，不仅提高了自调和保护投入率，还减少人员误操作事故。在采用DCS系统和高能性的差压变送器之后，必须解决汽包水位测孔不足和选位不当问题，才能提高汽包水位监控保安系统的完善性和可靠性。在已有足够合格的测孔，具备选择“三取二”网络条件下，要提高锅炉满缺水停炉保护的准确性可靠性，选择配套GJT 2000测量筒的电接点水位计作为水位开关，是可行的。华能淮阴电厂采用汽包水位多测孔接管和GJT 2000测量筒，解决了测孔问题和一次测量不准的关键问题，获得了明显安全经济效益的经验，可供借鉴。